Przepławki ryglowe jako element przywrócenia ciągłości korytarza ekologicznego rzek silnie zmienionych

INFRASTRUKTURA I EKOLOGIA TERENÓW WIEJSKICH INFRASTRUCTURE AND ECOLOGY OF RURAL AREAS Nr 3/I/2013, POLSKA AKADEMIA NAUK, Oddział w Krakowie, s. 61–71

Komisja Technicznej Infrastruktury Wsi

PRZEPŁAWKI RYGLOWE

JAKO ELEMENT PRZYWRÓCENIA CIĄGŁOŚCI

KORYTARZA EKOLOGICZNEGO RZEK

SILNIE ZMIENIONYCH

Uniwersytet Rolniczy w Krakowie

ROCK FISHLADDER AS ELEMENT

OF ECOLOGICAL CORRIDOR RESTORATION

FOR STRONGLY DEGRADETED RIVERS

W ostatnich dziesięcioleciach w wyniku regulacji rzek i przegradzania do-lin rzecznych nastąpiły niekorzystne zmiany w hydromorfologii koryt rzecznych [Bartnik, 2006]. Zwiększenie retencji wodnej i wykorzystanie hydroenergetyczne rzek, które pociąga za sobą budowę nowych obiektów hydrotechnicznych wymaga nowego spojrzenia na ciągłość korytarza rzecznego.

Zgodnie z RDW „silnie zmieniona część wód oznacza część wód po-wierzchniowych, których charakter został znacznie zmieniony na skutek fizyczne-go oddziaływania człowieka […]” [Dyrektywa 2000/60/WE]. W silnie zmienio-nych częściach wód należy dążyć do osiągnięcia dobrego potencjału ekologicznego wód. Nastąpić to może poprzez budowę lub przebudowę budowli wodnych w sposób umożliwiający odpowiednie warunki migracji i życia dla ryb i innych organizmów wodnych.

Celem pracy jest wyznaczenie dopuszczalnych wymiarów konstrukcji przepławki ryglowej spełniające kryteria biologiczne ryb w zlewni rzeki Skawy. W tym celu zostały przeprowadzone pomiary laboratoryjne na fizycznym modelu przepławki ryglowej. Na podstawie badań modelowych przepławki ryglowej okre-ślono warunki stabilności biologicznej: przepływu, prędkości wody, napełnienia i dyssypacji objętościowej.

Słowa kluczowe: przepławka ryglowa, stabilność biologiczna ryb, migracje

Summary

In the recent decades, due to improper management of river ecosystems ad-verse effects occurred in riverbeds hydromorphology. Increased water retention and use of hydroelectric rivers, which entails the construction of new hydro power plants requires a new look at the continuity of the river corridor.

According to the RDW "heavily modified water body means a body of sur-face water, the nature of which has been significantly altered as a result of physi-cal alterations by human [...]"[Dyrektywa 2000/60/WE]. The heavily modified water bodies should aim to achieve good ecological potential of waters. It is to be achieved through the construction or reconstruction of water structures to ensure efficient migration and living conditions for fish and other aquatic organisms.

The aim of this study is to determine the construction limits of rock fishlad-ders that meet the biological criteria of fish in the Skawa river. Laboratory meas-urements were carried out on the physical model of rock fishladder. The results of laboratory measurement were used to calculate hydraulic condition within fish-ladder to determine biological stability of fishes: discharge, velocity of water, water depth and energy dissipation.

Key words: rock fishladder, biological stability of fish, migration of fishes WSTĘP

W ostatnich dziesięcioleciach w wyniku regulacji rzek i przegradzania do-lin rzecznych nastąpiły niekorzystne zmiany w hydromorfologii koryt rzecznych [Bartnik 2006]. Zwiększenie retencji wodnej i wykorzystanie hydroenergetyczne rzek, które pociąga za sobą budowę nowych obiektów hydrotechnicznych wy-maga nowego spojrzenia na ciągłość korytarza rzecznego.

Zgodnie z RDW „silnie zmieniona część wód oznacza część wód po-wierzchniowych, których charakter został znacznie zmieniony na skutek fizycz-nego oddziaływania człowieka […]” [Dyrektywa 2000/60/WE]. W silnie zmie-nionych częściach wód należy dążyć do osiągnięcia dobrego potencjału ekologicznego wód. Nastąpić to może poprzez budowę lub przebudowę budowli wodnych w sposób umożliwiający odpowiednie warunki migracji i życia dla ryb i innych organizmów wodnych [Epler i in. 2011].

Najpopularniejszym typem przepławek są przepławki techniczne (komo-rowe, szczelinowe). Wieloletnie obserwacje tych przepławek wykazały, że ce-chują się one niską sprawnością dla migracji ichtiofauny. Dużo lepszą spraw-ność mają przepławki w formie obejść, w których tworzony jest omijający przeszkodę strumień [Mokwa 2008]. Minusem tego typu rozwiązania jest duża powierzchnia jaką zajmują. Alternatywą łączącą ze sobą zalety obu typów prze-pławek są przepławki ryglowe. W korycie tworzona jest sekwencja basenów oddzielonych ryglami ułożonymi z naturalnych głazów. Pomiędzy głazami pozostawiony jest system różniej szerokości szczelin [Wiśniewolski 2011] (rys. 1). W przepławkach tych występują hydrauliczne warunki przepływu jak

w potoku górskim wytworzone na dużo mniejszej powierzchni jak w przepław-kach technicznych.

Rysunek 1. Schemat przepławki ryglowej wg Wiśniewolskiego, a) widok z góry, b) przekrój przez rygiel, c) profil podłużny [opracowanie własne na podstawie

Wiśniewolski 2011]

Figure 1. Rock fishladder: a) cross section, b) plan view, c) longitudinal profile

Na podstawie przeprowadzonej analizy budowli poprzecznych pod kątem migracji ichtiofauny w regionie Małej Wisły oraz Górnej Wisły stwierdzono, że z 7869 budowli poprzecznych 4332 to budowle mogące stanowić barierę w mi-gracji ryb [Epler i in. 2011].

Celem pracy jest wyznaczenie granicznych parametrów geometrycznych przepławki ryglowej: spadku dna, szerokości przepławki, długości basenów, szerokości szczeliny głównej rygla. Obliczenia przeprowadzono dla zlewni rzeki Skawy. W zlewni rzeki Skawy stwierdzono następujące gatunki objęte różnymi formami ochrony: śliz, głowacz pręgopłetwy, głowacz białopłetwy, brzanka, brzana, świnka i lipień [Epler i in. 2011]. Tabela 1 przedstawia wartości podsta-wowych parametrów urządzeń służących migracji ryb, natomiast tabela 2 przed-stawia rozmiary ryb i prędkości prądu wody pokonywane przez gatunki ryb z tabeli 1.

Tabela 1. Wartości podstawowych parametrów urządzeń służących migracji ryb Table 1. The values of the basic parameters of fishladders

Gatunek

Minimalna g

łę

boko

ść

korytarza migracji [m] Minimalna g

łę

boko

ść

szczeliny lub przelewu [m] Minimalna szeroko

ść

szczeliny lub przelewu [m] Minimalna g

łę

boko

ść

basenu lub komory [m] Minimalna szeroko

ść

basenu lub komory [m] Minimalna d

ługo

ść

basenu lub komory [m]

Śliz 0.15 - - 0.30 0.40 0.60 Głowacz białopłetwy 0.15 - - 0.30 0.40 0.60 Głowacz pręgowaty 0.15 - - 0.30 0.40 0.60 Brzana 0.40 0.30 0.30 0.80 1.80 2.70 Brzanka 0.30 0.20 0.20 0.60 0.40 0.60 Świnka 0.30 0.25 0.20 0.60 1.00 1.50 Lipień 0.40 0.30 0.20 0.60 1.40 2.10 [Epler i in. 2011]

Tabela 2. Rozmiary i prędkości prądu wody pokonywane przez gatunki ryb z tabeli 1 Table 2. Size and velocity of water traversed by the species of fishes in Table 1

Gatunek Maksymalna długość [m] Szybkość użyteczna [ms-1] Szybkość maksymalna [ms-1] Śliz 0.12 0.25-0.50 1.30 Głowacz białopłetwy 0.12 0.20-0.40 1.20 Głowacz pręgowaty 0.12 0.20-0.40 1.20 Brzana 1.00 0.70-1.50 -Brzanka 0.30 0.65-1.05 2.60 Świnka 0.50 0.60-1.60 3.00 Lipień 0.35 0.50-0.90 3.00 [Epler i in. 2011]

Zdolność rozproszenia energii kinetycznej wody w basenie przepławki określana jest jako dyssypacja objętościowa [Wiśniewolski, 2011].

Tabela 3. Graniczna wartość dyssypacji objętościowej Table 3. Limit value of energy dissipation

E [Wm-3]

Ryby silne i dobrze pływające 200

Przepławka spełniająca wymagania biologiczne ryb chronionych w zlewni rzeki Skawy powinna mieć następujące wymiary:

– minimalna głębokość szczeliny lub przelewu: hs=0.30 m,

– minimalna szerokość szczeliny lub przelewu: b=0.30 m, – minimalna głębokość wody w basenie: hb=0.80 m,

– minimalna szerokość basenu lub komory: B=1.80 m, – minimalna długość basenu lub komory: L=2.70 m.

W basenie przepławki powinny występować obszary z prędkością wody nie przekraczającą vB=0.40 ms-1, natomiast w ryglu dopuszczalna prędkość

mak-symalna wynosi vR=1.20 ms-1.

METODYKA

Obliczenia hydrauliczne przepławki ryglowej przeprowadzono dla kon-strukcji przepławki wynikającej z kryteriów stabilności biologicznej dla ryb w zlewni rzeki Skawy. Wielkość spadu na poszczególnych ryglach obliczono ze wzoru 1 przy zachowaniu granicznej wartości prędkości vR=1.20 ms-1:

] m [ g v h h g v 2 2 2 = Δ ⇒ Δ = (1) gdzie: v – prędkość wody [ms-1_], g – przyśpieszenie ziemskie [ms-2],

Δh – różnica poziomu zwierciadła wody pomiędzy sąsiednimi basenami [m].

Spadek przepławki obliczono w oparciu o długość basenu zwiększoną o grubość rygla. ] [ l L h i ₋ + Δ = (2) gdzie: L – długość basenu [m], l – grubość rygla [m].

Wydatek przepławki (Qc) jest liczony jako suma przepływu szczeliną

główną (QB) i dodatkowymi szczelinami w ryglu (Qb).

] s m [ ) h g ( Bh Q . B =μ 2 Δ 05 3 −1 (3) ] s m [ ) h g ( bh Q . b =μ 2 Δ 05 3 −1 (4)

] s m [ Q Q Qc= B+3 b 3 −1 (5) gdzie: μ – współczynnik wydatku [-], h – napełnienie w basenie [m].

Rozkład prędkości w basenie przepławki obliczono w oparciu o pomiary laboratoryjne. Prędkość liczono w połowie długości basenu w trzech miejscach: poniżej szczeliny głównej rygla od strony wody górnej (B1), na środku basenu (B2) oraz po stronie szczeliny głównej od strony wody dolnej (B3).

]

[

=

v

ms

v

_α

gdzie:

αBi – współczynnik określony na podstawie pomiarów laboratoryjnych [-].

Dyssypację objętościową obliczono ze wzoru [Mokwa, 2010]:

] Wm [ At hQ g E₌ρ Δ −3 ₍₇₎ gdzie:

Δh – różnica poziomów wody między komorami (basenami) [m], Q – przepływ wody przez przepławkę [m3_s-1_],

A – powierzchnia komory (basenu) [m], h – napełnienie w komorze (basenie) [m], ρ – gęstość wody [kgm-3_].

OPIS BADAŃ

Pomiary laboratoryjne przeprowadzono na fizycznym modelu przepławki ryglowej wykonanym w laboratorium Hydrotechnicznym Uniwersytetu Rolni-czego w Krakowie. Model przepławki składał się z sekwencji czterech rygli i basenów. Rygle wykonano z pali drewnianych o wymiarach w przekroju 0.067x0.067 m. Każdy rygiel posiadał jedną szczelinę główną o szerokości B=0.12 m i trzy mniejsze o szerokości b=0.01 m. Taka konstrukcja rygla posia-dała stosunek powierzchni aktywnej szczeliny głównej rygla do sumy po-wierzchni pozostałych szczelin FB/FΣb=80/20. Spadek dna przepławki wynosił

8.3, 16.7 i 25.6‰. Pomiary przeprowadzono dla zakresu różnicy poziomów zwierciadeł wody pomiędzy sąsiednimi basenami 0.021-0.033 m. W celu wy-dłużenia drogi przepływu strumienia głównego szczeliny główne w następują-cych po sobie ryglach ułożono naprzemianlegle. Spowodowało to przepływanie strumienia o większej prędkości z jednej strony przepławki na drugą, na długo-ści jednego basenu.

Rysunek 2. Model fizyczny przepławki ryglowej Figure 2. Physical model of rock fishladder

Pomiar prędkości przeprowadzono za pomocą sondy ADV. Jest to dopple-rowski prędkościomierz akustyczny dokonujący dokładnego pomiaru trzech składowych prędkości przy wykorzystaniu efektu Dopplera. Każdy pion hydro-metryczny składał się z 10 pomiarów składowych prędkości vx, vy i vz.

Składo-we te posłużyły do określenia wartości i kierunków poszczególnych Składo-wektorów prędkości, w oparciu o które wykreślono profile prędkości. Pojedyncza seria pomiarowa składała się z pięciu pionów hydrometrycznych: jeden w szczelinie głównej rygla - R, trzy na środku basenu przepławki - B1, B2, B3 oraz jeden w dolnej części basenu powyżej szczeliny głównej rygla - B4 (rys. 3).

Rysunek 3. Schemat modelu przepławki ryglowej, a) przekrój przez rygiel, b) widok z góry

W oparciu o profile prędkości obliczono średnie prędkości w pionach hy-drometrycznych. Wartości w pionach B1, B2 i B3 przedstawiono w wartościach względnych odnosząc ich wartość do wartości prędkości w szczelinie głównej przepławki ryglowej. Pozwoliło to określić rozkład prędkości w basenie prze-pławki dla określonej konstrukcji rygla.

WYNIKI POMIARÓW LABORATORYJNYCH

Tabela 4 przedstawia wyniki pomiarów laboratoryjnych.

Tabela 4. Wyniki pomiarów laboratoryjnych Table 4. Results of laboratory measurements

vśr [ms-1_] I [‰] Q [m3_s-1_{] [m]}Δh R B1 B2 B3 B4 0.022 0.027 1.61 1.16 0.35 0.47 0.85 0.025 0.025 1.70 1.11 0.36 0.49 0.76 8.3 0.028 0.032 1.73 1.13 0.32 0.58 0.74 0.017 0.021 1.42 1.08 0.35 0.40 0.68 0.024 0.028 1.61 1.13 0.33 0.54 0.74 16.7 0.032 0.033 1.81 1.23 0.34 0.55 0.91 0.015 0.025 1.27 0.96 0.52 0.50 0.71 0.021 0.024 1.62 0.91 0.45 0.64 0.82 25.6 0.028 0.029 1.78 1.04 0.39 0.55 0.89

Rysunek 4. Rozkład prędkości w basenie przepławki ryglowej Figure 4. Velocity distribution within pool of the rock fishladder

Na rysunku 4 przedstawiono wartości względne prędkości. Prędkość w basenie przepławki zostanie obliczona ze wzorów:

] ms [ v . vB1=067 R −1 (8) ] ms [ v . vB R 1 2 =024 − (9) ] ms [ v . vB3=033 R −1 (10) OBLICZENIA HYDRAULICZNE

Rygiel przepławki ryglowej na Skawie będzie posiadał jedną szczelinę główną o szerokości B=0.30 m i trzy o szerokości b=0.025 m. Dla takiej kon-strukcji FB/FΣb=0.80/0.20. Dopuszczalna prędkość wody w ryglu przepławki

wynosi vR=1.20 ms-1. Obliczona ze wzoru 1 maksymalna różnica poziomów

zwierciadeł wody pomiędzy sąsiednimi basenami wynosi Δh=0.07 m. Spadek dna przepławki dla długości basenu L=2.70 m i grubości rygla 0.30 m wynosi i=2.3%.

Obliczenie wydatku przepławki:

1 3 5 0 ₀₁₇₂ 07 0 81 9 2 80 0 30 0 61 0 _{⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ =} − = . . . ( . . ) . m s Q . B 1 3 5 0 ₀₀₁₄ 07 0 81 9 2 80 0 025 0 61 0 _{⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ =} − = . . . ( . . ) . m s Q . b 1 3 214 0 014 0 3 172 0 _{+ ⋅ =} − = . . . ms Qc

Obliczenie prędkości w ryglu i rozkładu prędkości w basenie przepławki:

1 17 1 07 0 81 9 2_{⋅ ⋅ =} − = . . . ms vR 1 1=0.67⋅1.17=0.79ms− vB 1 2=0.24⋅1.17=0.28ms− vB 1 3=0.33⋅1.17=0.39ms− vB

Obliczenie dyssypacji objętościowej:

3 88 37 80 0 86 4 214 0 07 0 81 9 1000 ₋ = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = . Wm . . . . . E

Rysunek 5. Rozkład prędkości przepławki ryglowej Figure 5. Velocity distribution

PODSUMOWANIE WYNIKÓW PRAC

W przepławce ryglowej o wymiarach odpowiadających gatunkom ryb chronionych w zlewni rzeki Skawy: długości basenu L=2.7 m, szerokości szcze-liny głównej rygla B=0.30 m, spadku dna i=2.3%, napełnieniu h=0.80 m wystę-pują odpowiednie prędkości wody. Maksymalne prędkości wystęwystę-pują lokalnie w szczelinie głównej rygla. Prędkość wody w ryglu przepławki wynosi 1.17 ms-1_.

Po wpłynięciu do basenu prędkość nurtu głównego spada o 33% natomiast prędkość strug wpływających szczelinami o mniejszej szerokości spada o 67 i 76%. Wpływa to na wytworzenie dwóch stref przepływu w basenie przepław-ki: strefy o większej prędkości znajdującej się poniżej szczeliny głównej rygla, oraz strefę spokojną w pozostałej części basenu z prędkością nie przekraczającą v=0.40 ms-1_{. Obliczony dla napełnienia h=0.80 m przepływ Q=0.21 m}3_s-1_,

war-tość dyssypacji objętościowej wynosi około 38 Wm-3_{. Odpowiada to warunkom}

stabilności biologicznej ichtiofauny zlewni rzeki Skawy (tab. 2 i 3).

WNIOSKI OGÓLNE

Przepławka ryglowa jest typem przepławki, który może być szeroko sto-sowany w celu przywrócenia ciągłości korytarza ekologicznego. W basenie przepławki występuje podział hydraulicznych warunków ruchu wody na dwie strefy – strefa z mniejszymi i większymi prędkościami. Poprzez różną konstruk-cję rygla można wpływać na wartości prędkości w basenie przepławki oraz na wielkości poszczególnych stref. Prędkość maksymalna w ryglu może być mody-fikowana poprzez zmianę spadku dna przepławki. Poprzez zmianę konstrukcji przepławki w zakresie zmian wielkości basenu, spadku dna oraz ilości i wielko-ści szczelin w ryglu istnieje możliwość wytworzenia hydraulicznych warunków przepływu spełniających kryteria stabilności biologicznej ryb występujących na danym obszarze.

Badania finansowane z grantu badawczo-rozwojowego:N R14 0041 06

BIBLIOGRAFIA

Bartnik W. (2006). Charakterystyka hydromorfologiczna rzek i potoków górskich, Komisja Tech-nicznej Infrastruktury Wsi PAN w Krakowie, s. 143-174.

Bartnik W., Epler P., Jelonek M., Klaczak A., Książek L., Mikołajczyk T., Nowak M., Popek W., Sławińska A., Sobieszczuk P., Szczerbik P., Wyrębek M. (2011). Gospodarka rybacka w aspekcie udrażniania cieków dorzecza Małej i Górnej Wisły, Monografia pod redakcją Piotra Eplera i Leszka Książka, Komisja Techniczna Infrastruktury Wsi PAN w Krakowie. Mokwa M. (2010). Obliczenia hydrauliczne przepławek dla ryb”, Acta Scientiarum Polonorum,

Wydawnictwo Uniwersytetu Rolniczego w Krakowie, s. 43-58.

Wiśniewolski W. (2011). Ogólne wytyczne projektowania przepławek dla ryb, Zrównoważone korzystanie z zasobów rybackich na tle ich stanu w 2010 roku, Olsztyn, s. 153-175. Mokwa M., Malczewska B. (2008). Współczesne tendencje w budowaniu przejść dla ryb,

Mono-grafia pod redakcją Mariana Mokwy i Wiesława Wiśniewolskiego, Wrocław, s. 82-90. Dyrektywa 2000/60/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 23 października 2000 r.

ustana-wiająca ramy wspólnotowego działania w dziedzinie polityki wodnej.

Dr inż. Maciej Wyrębek Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Uniwersytet Rolniczy w Krakowie Al. Mickiewicza 24/28, 30-059 Kraków tel. (012) 662-40-23 m.wyrebek@gmail.com